Pasadenában a California Institute of Technology (Kaliforniai Műegyetem) hallgatója volt, majd a Columbia Egyetemen tanult, itt doktorált 1946-ban. A Manhattan-terv munkatársaként a II. világháború alatt az atombomba létrehozásán dolgozott. 1949-ben kezdte megfogalmazni az általános közfelfogással szembehelyezkedő elméletét, hogy nem minden atommag gömb alakú. Aage N. Bohr és Ben R. Mottelson dán fizikusok kísérletileg ellenőrizték és igazolták az elméletet. A három tudós együtt kapta meg 1975-ben a fizikai Nobel-díjat.
Rainwater 1952-től volt a Columbia Egyetem fizikaprofesszora,
majd 1982-től "Pupin-professzora". Eredményes kutatásokat
folytatott a röntgensugárzással kapcsolatban is, részt
vett az Atomenergia-bizottság és a haditengerészet
kutatási programjaiban. Az Atomenergia-bizottság 1963-ban
Ernest Orlando Lawrence-díjjal tüntette ki.